Энигма двойной щели

              Мы разберём феномен, который невозможно,
              абсолютно невозможно объяснить любым классическим способом
              и в котором заложено сердце квантовой механики.
              В действительности, он содержит тайну.

            
              Ричард Фейнман 



Энигма в переводе с греческого значит «загадка». В 2000 году кинокомпания Universal выпустила на экран блокбастер  «U-571», захватывающий сюжет которого связан с похищением бравыми американскими подводниками немецкой шифровальной машины «Энигма» вместе с кодами с борта немецкой подводной лодки «U-571». Действие картины разворачивается весной 1942 года в Северной Атлантике, где германские субмарины захватили господство на море, сея опустошения и потопив более тысячи судов союзников. Вина за это лежит в том числе и на «Энигме». «Нам не удаётся найти шифр, и это стоит нам победы», — такова завязка сюжета.

Впервые код электромеханической роторной шифровальной машины типа «Энигма», широко распространённой в мире, особенно в Германии, в  20–40-х годах прошлого века, взломали польские специалисты-дешифровщики в 1932-м. Однако последующий восьмироторный образец «Энигмы» для немецкого военно-морского флота оказался недоступен для дешифровки. Будучи не в состоянии разгадать новые радиошифры немецких подлодок, союзники вынуждены были вслепую отражать немецкие атаки. Овладение шифром дало возможность одержать победу. Кто предупреждён — тот вооружён. Для этого американским подводникам пришлось брать «Энигму» штурмом.

В начале ХХ века появилась иная «энигма», которая до сих пор не разгадана, и шифр к которой если и можно взять штурмом, то это будет только мозговой штурм. Речь идёт о знаменитом эксперименте с двумя щелями.

Суть энигмы двойной щели, или как её ещё называют «эксперимент Томаса Юнга», или просто «эксперимент с двумя щелями», состоит в следующем. В самом начале ХIХ века, в 1803 году, Томас Юнг благодаря пропусканию света через 2 щели доказал волновую теорию света. На проекционном экране получался  целый ряд чередующихся интерференционных полос, что является доказательством справедливости волновой теории. В этой интерференционной картине, присущей волнам, максимум яркости на экране оказывался там, где, согласно корпускулярной теории, яркость должна была быть практически нулевой.

В начале ХХ века, с открытием квантовой теории, этот же эксперимент с двумя щелями решили повторить для отдельных корпускул света. С несказанным удивлением физики обнаружили, что отдельные элементарные частицы, фотоны, способны вести себя не как корпускулы, а как волны! Если их пропускать через одну щель, то они ведут себя как корпускулы, оставляя след на экране в виде полоски напротив щели.  Если же их пропускать через две щели, то они, вопреки здравому смыслу, оставляли не положенные корпускулам полоски на проекционном экране, а всё тот же интерференционный узор!

Более того, когда один фотон выпускали через экран с двумя щелями, он проходил через обе щели (!), интерферировал сам с собой (!) и в результате оставлял всё-тот же интерференционный узор на экране. А когда его же, несчастного, пропускали через одну щель, то он вёл себя как обычная частица!

Физики повторили эти эксперименты много-много раз, долго-долго ломали над этим голову и в результате пришли к выводу о наличии в природе корпускулярно-волнового дуализма. То есть все элементарные частицы — фотоны, электроны, протоны, etc — способны  вести себя и как волны, и как частицы. В одних обстоятельствах — как волны, в других обстоятельствах — как частицы. Мимикрируют. Приспосабливаются. Колеблются, так сказать, вместе с линией партии (была такая шутка в советские времена, когда единственной партией была КПСС).

С точки зрения математического формализма, они могут быть описаны и как частицы, используя такие характеристики, как энергия и импульс, и как волны, используя волновые характеристики — частоту и длину волн.

Чем-то это напоминает голографический принцип, где одно и то же явление, с точки зрения всё того же математического формализма, может быть описано и на двумерной поверхности, и в трёхмерном объёме.  Короче говоря, истинного разделения нет нигде. Всё едино!

Этот дуализм положил начало научным революциям. (ХХ век — век революций!)

Во-первых, физикам пришлось отказаться от двузначной логики Аристотеля, которая насчитывала к тому времени более двух тысячелетий существования и считалась неоспоримой. Закон исключённого  третьего (лат. — “tertium non datur”, то есть «третьего не дано»), грубо говоря, утверждает: либо одно, либо другое, а третьего не дано. Классическая советская фраза «третьим будешь?» теряет в логике Аристотеля свой смысл. Зато в корпускулярно-волновой модели возможно и то и другое, причём одновременно.

Если раньше необходимо было выбирать из двух вариантов, «из двух зол»:

             1. «Это волны».      
             2. «Это частицы».

то теперь стал доступен третий вариант:

             3. «Это и волны, и частицы», то есть в зависимости от обстоятельств будет работать одна из двух моделей.

Во-вторых, это был новый взгляд на природу реальности. Природа превратилась из однозначной матери-природы в какого-то двуликого корпускулярно-волнового Януса. Например, квант света — фотон — во взаимодействии с веществом — всегда частица, а в движении в пространстве — всегда волна. А может, у этого Януса ещё несколько ликов, как и индуистских божеств? Или он вообще безлик, как Брахман?

Вы думаете, что это всё? Не тут-то было! Когда мы начинаем при помощи специальных телескопов с фотоумножителями, чувствительными к единичным фотонам и расположенными в фокусе телескопов, каждый из которых наведён на свою щель,  «подглядывать» за частицами, пытаясь всё-таки определить, через какую из двух щелей они пролетели, то они враз «забывают» про свои волновые свойства и начинают вести себя как обычные частицы. Никакой интерференции с самим собой! Никаких вольностей! Облико морале! Строгий корпускулярный dress code. Вот что делает наблюдатель! 

Если говорить серьёзно, это интерпретируется некоторыми (но далеко не всеми) физиками, что именно сознание наблюдателя производит так называемую «редукцию волновой функции», превращая волну в частицу просто фактом наблюдения. Причём делает это мгновенно, вне зависимости от расстояния и скорости света!

Это была ещё одна революция! Сознание влияет на материю! Человеческое сознание одним фактом своего наблюдения приводит к коллапсу волновой функции и творит из волны частицу! Во всяком случае, так  считают некоторые выдающиеся физики, включая Нобелевского лауреата Юджина Вигнера, которому принадлежат следующие слова:

                «невозможно последовательно сформулировать законы
                (квантовой теории), не принимая в расчёт сознание» [1].

Попробуйте после этого дать ответ на вопрос Эйнштейна «существует ли Луна, если никто на неё не смотрит?» Или может ли мышь, взглянув на мир, изменить его одним своим наблюдательным взглядом?

Американский физик и писатель, автор книги  «Квантовая реальность» Ник Герберт попытался ответить на эти вопросы следующим образом:

                «Человеческому постижению недоступна истинная природа квантовой реальности,
                поскольку всё, к чему бы мы ни  прикоснулись взглядом, превращается в материю» [2].

А вот что говорит о самом Нике Герберте Майкл Талбот, автор культовой книги «Голографическая Вселенная», опубликованной спустя 6 лет после «Квантовой реальности»:

«Физик Ник Герберт говорит, что иногда ему кажется, что за его спиной мир “всегда загадочен и неясен, и представляет собой беспрерывно текущий квантовый суп”. Но когда он оборачивается и пытается увидеть этот “суп”, его взор “замораживает” содержимое “супа”, и видится лишь привычная картина. Герберт считает, что мы немного похожи на легендарного Мидаса, который никогда не испытал мягкость шёлка в ответ на прикосновение человеческой руки, поскольку всё, к чему он прикасался, тотчас превращалось в золото» [3]. 

Но и это ещё не всё. Дальнейшую смуту, связанную с этой энигмой, в стан подуспокоившихся было физиков внёс в конце 70-х годов прошлого века всё тот же Джон Арчибальд Уилер своим мысленным экспериментом с отложенным выбором. Отложить выбор о том, как зафиксировать фотон — либо с помощью пластины с фотоэмульсией, либо с помощью всё тех же нацеленных на щели телескопов — он предложил после того, как фотон по расчётам уже пройдёт через 2 щели. 

А затем, после прохождения фотоном через щель, то есть во время прохождения фотоном оставшегося участка от двухщелевого экрана до экрана с фотоэмульсией, мы будем произвольно убирать экран с фотоэмульсией, чтобы подсмотреть телескопом, каков фотон «на самом деле». Выбор наблюдателя «казнить нельзя помиловать» откладывается от момента прохождения фотона через щель, когда фотон уже должен определиться с формой своего воплощения, и до момента попадания его на экран с фотоэмульсией или в объектив телескопа. Какую форму примет наш двуликий Янус? Зависит ли она как-нибудь от нашего выбора?

В 2006 году такой эксперимент провели. Вывод был ошеломителен. Форма воплощения фотона строго зависела от нашего отложенного до момента прохождения фотона через щель выбора: как на него взглянуть. От нашего “To be, or not to be”.  Если сквозь телескоп — опять частица, если через следы на фотоэмульсии — снова волна! Наше решение о том, убирать или не убирать экран, фотон неким мистическим способом узнавал заранее!? Это уже была квантовая машина времени! Или квантовая телепатия?!
 
«Выходит, “решение” фотона проявить свою волновую или корпускулярную природу при прохождении щели зависит от нашего решения, которое мы принимаем, когда фотон давно уже миновал щели! Нет никакого дуализма волна-частица. Есть квантовая механика, которая раскрывает природу реальности, которая более странная, чем мы могли представить. Не зря говорил Гелл-Манн:

             “Квантовая механика, эта таинственная, приводящая в замешательство дисциплина,
              которую никто из нас по-настоящему не понимает, но которую мы знаем как использовать”.

Подобные эксперименты с отложенным выбором действительно были проведены и, конечно, подтвердили квантовую механику. Есть даже совсем поражающий воображение эксперимент, когда решение экспериментатора откладывается до момента, пока квант не достигнет фотоэмульсии. А потом информацию о том, прошёл он через обе щели или через одну из них, по желанию можно “стирать”, используя другой квант, квантово-механически запутанный с первым. Сам Уилер, исследуя физический и философский подтекст похожих экспериментов, пришёл к часто цитируемой парадигме:

             “Ни один феномен не является феноменом до тех пор, пока это не наблюдаемый феномен”» [4].

С точки зрения логики, в последнем случае не годятся ни двузначная логика Эйнштейна, ни трёхзначная дуалистическая квантовая логика:

             1. «Это волны».      
             2. «Это частицы».
             3. «Это и волны, и частицы».

Это уже новый, четвёртый вариант:
 
             4. «Это ни волны, ни частицы».

По словам агностика Роберта Антона Уилсона, это уже четырёхзначная  «самая настоящая буддийская логика:

             это Х,
             это не-Х,
             это Х и не-Х,
             это ни Х, ни не-Х» [5].

Приплыли! «Хожение» логиков «за 3 моря»: из Греции, Родины Аристотеля, в Индию, Родину Будды. Путь логиков лежал с Запада на Восток и занял ни много ни мало 2 с лишним тысячелетия.

А что скажут физики вслед за логиками? Что же это тогда? Чем являются фотоны на самом деле, если это ни волны, ни частицы?

Прежде всего, это, конечно же, всплески энергии. Только энергии чего?

Во вторую очередь, все эти элементарные частицы есть неразрывные части Целого, неразрывной частью которого является и человеческое сознание, которое так давно наблюдает и так же тщетно пытается понять все эти квантово-механические фокусы.

(Помните небезызвестного Ричарда Фейнмана: «Думаю, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает» — англ. — “I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.”)
 
В этой двухщелевой энигме в одну кучу смешались волны и частицы, энергия и информация, часть и Целое (Holos), сознание и материя, прошлое, настоящее и будущее, ограниченная человеческая логика и безграничная природа истинной реальности. (Только ли это?)

Попробуем расшифровать нашу «энигму», используя триединое (энергия-информация-Целое) представление о сущности элементарных частиц, обладающих неподражаемыми в макромире, непонятными и необъяснимыми свойствами. 


Продолжение следует:



Примечания:
1. Цит. По Фритьоф Капра, «Дао физики», Wigner, Б. P. Symmetries and Reflections. [84] Scientific Essays, Cambridg. Mass.: M. 1. T. Press. 1970. p 1722
2. Ник Герберт «Квантовая реальность», 1985 г.
3. Майкл Талбот «Голографическая Вселенная», 1991 г.
4. Зураб Силагадзе «Сколько ангелов может танцевать на булавочной головке?»
5. Роберт Антон Уилсон «Новая инквизиция», 1986 г.